BADANIA DYFRAKCYJNE WARSTWY ALFINOWANEJ NA STOPACH ŻELAZA

Transkrypt

1 56/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN BADANIA DYFRAKCYJNE WARSTWY ALFINOWANEJ NA STOPACH ŻELAZA S. PIETROWSKI 1, L. KLIMEK 2, T. SZYMCZAK 3 Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, Łódź STRESZCZENIE W pracy przedstawiono budowę powłoki alfinowanej na stopach żelaza określoną z wykorzystaniem mikroanalizy rentgenowskiej liniowej i punktowej oraz dyfrakcji rentgenowskiej. Stwierdzono, że powłoka składa się z czterech warstw, z których pierwsza występująca bezpośrednio na podłożu zależy od rodzaju stopu żelaza. W stalach krystalizuje faza Al 3 Fe, a w żeliwach, żelazokrzemowy węglik Fe 4 CSi. Następnie na obydwu rodzajach stopów żelaza krystalizują kolejno warstwy złożone z faz Al 12 Fe 3 Si 2, Al 9 Fe 3 Si 2 oraz z siluminu. Key words: diffraction, iron alloys, alphinizing 1. WSTĘP Technologia otrzymywania odlewów warstwowych znana jest od wielu lat. Pomimo tego, ich wytwarzanie napotyka wiele trudności technologicznych, które wynikają z nieznajomości procesów zapewniających otrzymanie trwałego połączenia na granicy warstw. Proces tworzenia warstwy alfinowanej można podzielić na cztery etapy: zwilżanie powierzchni wtopki przez ciekły silumin, rozpuszczanie żelaza przez aluminium, dyfuzja w układzie powierzchnia wtopki ciekły stop (tworzenie strefy przejściowej w wyniku rozpuszczania oraz krystalizacji nowych faz) i dyfuzja pomiędzy stopami w stanie stałym (po zakrzepnięciu strefy przejściowej). Technologia alfinowania polega na połączeniu dwóch elementów: jednego ze stopu żelaza (wtopki) z drugim wykonanym z siluminu poprzez utworzoną uprzednio na wtopce warstwę 1 prof. dr hab. inż., stanisław.pietrowski@p.lodz.pl 2 dr inż., leszek.klimek@p.lodz.pl 3 mgr inż., tunio100@wp.pl

2 393 pośrednią (alfinowaną) metodą zanurzeniową w kąpieli AlSi. Proces ten stosowany jest od dawna do połączenia wkładki podpierścieniowej wykonanej z żeliwa austenitycznego Niresist z tłokiem do silników spalinowych silnie obciążonych. Po alfinowaniu wkładka umieszczona jest w kokili i zalana siluminem tłokowym. W ostatnich latach (od 2002r.) technologię tą zastosowano do zawieszenia samochodowego[1, 2]. Wkładka z żeliwa sferoidalnego po alfinowaniu zalewana jest siluminem AlSi7. Pomimo stosowania technologii alfinowania i jej rozszerzania na różne elementy maszyn, proces nie został dokładnie rozpoznany. Aktualnie z tego zakresu prowadzone są badania, których częściowe wyniki przedstawiono w pracach[3 7]. Omówiono w nich budowę powłoki alfinowanej i jej połączenia z siluminem, oraz wpływ czynników technologicznych na budowę i grubość powłoki. Niniejsza praca jest rozwinięciem badań z tego zakresu w kierunku określenia budowy fazowej warstwy alfinowanej. 2. METODYKA BADAŃ Do badań zastosowano następujące stopy żelaza: armco, stal C45 (według dawnych oznaczeń stal 45), żeliwo szare ENGJL250 oraz sferoidalne ENGJS Ich skład chemiczny przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny badanych stopów żelaza Table 1. The chemical composition of iron alloys Lp. Stop Skład chemiczny stopów, % C Si Mn P S 1 armco 0,028 0,0024 0,022 0,001 0, ,43 0,37 0,58 0,033 0,03 3 szare 3,38 2,26 0,52 0,08 0,06 4 sfero 3,58 2,56 0,55 0,04 0,02 Próbki do badań miały średnicę 10mm i długość 50mm. Przed alfinowaniem próbki odtłuszczano i podgrzewano wstępnie w suszarce do temperatury 50 C. Alfinowanie przeprowadzono w stopie ENACAlSi11, o składzie: 10,80%Si; 0,16%Fe; 0,03%Cu; 0,08%Mn; 0,05%Mg; 0,05%Zn; 0,08%Ti. Temperatura ciekłego siluminu wynosiła t = 750±5 C, a czas wytrzymania w nim elementu ze stopu żelaza wynosił τ = 180s. Badania metalograficzne wykonano na mikroskopie optycznym i elektronowym skaningowym firmy Jeol. Mikroanalizę liniową i punktową stężenia pierwiastków oraz dyfrakcję rentgenowską wykonano odpowiednio na mikroanalizatorze i dyfraktometrze firmy Jeol.

3 WYNIKI BADAŃ Reprezentatywną budowę powłoki uzyskanej w wyniku alfinowania stali 45 w stopie AlSi11 o temperaturze t = 750 C i w czasie τ = 180s przedstawiono na rysunku 1. Powłoka alfinowana składa się z warstw oznaczonych numerami 1 4. Rys.1. Budowa powłoki uzyskanej w wyniku alfinowania stali 45 w stopie AlSi11 o temperaturze t = 750 C i w czasie τ = 180s z oznaczonymi warstwami o nr 1 4. Fig. 1. The coat structure obtained after alphinizing of 45 cast steel in AlSi11 alloy, t = 750 C, τ = 180s with 1 4 coat marked. Badania mikroanalizą rentgenowską liniową i punktową stężenia pierwiastków: Al, Si, Fe i C w poszczególnych warstwach wykazały znaczne ich zróżnicowanie. Przykładowo na rysunku 2(a c) przedstawiono punkty pomiarowe 1 4, w których badano stężenie pierwiastków w warstwie na powierzchni próbki armco i stali 45, a na rysunku 3(a c) na żeliwie szarym i sferoidalnym. Średnie stężenie badanych pierwiastków w poszczególnych punktach 1 4 przedstawiono w tabeli 2. Punkt pomiarowy 1 umieszczony był w warstwie zbudowanej z siluminu, stąd jest wysokie w nim stężenie Al = 95 98% oraz niewielkie Fe i Si. W punkcie 2 umieszczonym na warstwie jasnoszarej, w pobliżu warstwy siluminu, w badanych stopach żelaza występuje bardzo podobne stężenie: Al = 54 55%; Fe = 35 36% i Si = 9 10%. W tej samej warstwie ale w punkcie 3 położonym bliżej podłoża, próbek z żelaza armco i stali 45 są również podobne stężenia: Al = 48 49%; Fe = 48% i Si = 2,5%. Jednak zmniejszyło się stężenie Al i Si, a zwiększyło Fe. W punkcie 3, w obu gatunkach żeliwa w porównaniu ze stalą zwiększyło się niewiele stężenie Al o 2,0%,

4 395 istotnie stężenie Si oraz zmalało Fe. W punkcie 4 w stalach, występuje wysokie stężenie Al = 51% i Fe = 48% przy niewielkiej ilości Si = 1%, natomiast w żeliwie jest niewielkie stężenie Al = 0,7% oraz znaczne Fe = 82% i Si = 11%, występuje również węgiel w ilości C = 6%. Rys. 2(ac). Budowa warstwy alfinowanej oraz punkty pomiarowe badania stężenia: Al, Fe i Si: a żelazo armco, b stal 45, c powiększenie warstwy 4 z rys. b. Fig. 2(ac). The structure of the alphinizing coat and testing points of Al, Fe and Si concentration: a armco iron, b 45 steel, c magnification of 4 coat from fig. b. Rys. 3(ac). Budowa warstwy alfinowanej oraz punkty pomiarowe badania stężenia: Al, Si, Fe i C: a i b żeliwo szare, c żeliwo sferoidalne. Fig. 3(ac). The structure of the alphinizing coat and testing points of Al, Si, Fe and C concentration: a and b gray cast iron, c ductile cast iron.

5 396 Tabela 2. Stężenie Al, Si, Fe i C w punktach pomiarowych 1 4 warstwy alfinowanej na stali i żeliwie otrzymanej po alfinowaniu w kąpieli o temperaturze 750 C i czasie 180s Table 2. Al, Si, Fe and C concentration in 14 testing points, of the alphinizing coat on steel and cast iron obtained after alphinizing in bath at temperature 750 C and time 180s Stężenie pierwiastków, % Nr punktu wtopka Pierwiastek pomiarowego Stal Żeliwo 1 Al Fe Si 2 Al Fe Si 3 Al Fe Si 4 żeliwo sferoidalne; odpowiada pkt. 4 na armco (rys. 2a) i pkt. 2 na 45 (rys. 2c) Al Fe Si C 1 rys. 2c Al Fe Si 4 rys. 3(b i c) Al Fe Si armco 45 szare sferoidalne 95,76 97,84 98,02 98,27 1,11 0,51 0,63 0,60 3,14 1,66 1,35 1,13 54,62 36,13 9,25 48,66 48,71 2,63 50,96 47,71 1,33 54,45 35,15 10,40 49,28 48,55 2,17 50,59 48,50 0,91 51,80 42,98 5,22 55,19 35,09 9,72 51,98 42,74 5,28 60,15 25,84 14,01 54,09 35,84 10,07 0,73 81,82 11,31 6,14 62,81 21,15 16,04 Przykładowe grubości poszczególnych warstw składowych powłoki alfinowanej w kąpieli o temperaturze 750 C na żeliwie szarym pokazano na rysunku 4. Z przedstawionych badań wynika, że grubość warstwy fazy Al 12 Fe 3 Si 2 jest około 50 60% mniejsza od grubości warstwy fazy Al 9 Fe 3 Si 2, a suma grubości warstw faz: Fe 4 CSi, Al 12 Fe 3 Si 2 oraz Al 9 Fe 3 Si 2 stanowi około 30% całkowitej grubości powłoki alfinowanej na badanych stopach żelaza. Grubość warstw złożonych z poszczególnych faz zwiększa się ze wzrostem temperatury kąpieli i czasu wytrzymania. Ze względu na fragmentyzację powłoki po alfinowaniu w temperaturze wyższej od 750 C nie można jednoznacznie określić i uśrednić grubości poszczególnych warstw w powłoce alfinowanej. Grubość warstw zależy również od rodzaju stopu żelaza. Budowę fazową warstwy alfinowanej zidentyfikowano dyfrakcją rentgenowską. Obraz dyfrakcyjny przedstawiono na rysunku 5. Mikroobszary, na których wykonano dyfrakcję oznaczono numerami 1 6. Poniżej przedstawiono wybrane przykłady obrazów dyfrakcji rentgenowskiej i identyfikacji faz. Na rysunku 6 (a c) przedstawiono obraz dyfrakcyjny mikroobszaru oznaczonego numerem 1 (a), wywskaźnikowany obraz tego mikroobszaru (b) oraz symulację dla aluminium z karty nr (c). W tym mikroobszarze występuje aluminium będące składnikiem siluminu do alfinowania.

6 397 Rys. 4. Grubość poszczególnych warstw składowych w powłoce alfinowanej w kąpieli o temperaturze 750 C na żeliwie szarym w funkcji czasu. Fig. 4. The thickness on individual layers in alphinizing coat in bath at temperature of 750 C on gray cast iron in time function. Obraz dyfrakcyjny mikroobszaru nr 2, jego wskaźnikowanie oraz symulację obrazu dla krzemu z karty nr przedstawiono na rysunku 7 (a c). Wynika z niego, że bezpośrednio do fazy oznaczonej numerem 3 przylega krzem w postaci długiej płytki. Rysunku 8 (a c) przedstawia obraz dyfrakcyjny fazy oznaczonej numerem 3 (a), wywskaźnikowany obraz fazy (b) oraz symulację z karty nr dla fazy Al 9 Fe 3 Si 2 (c). Wynika z nich zgodność identyfikowanej fazy. Na rysunku 9 (a c) przedstawiono obraz dyfrakcyjny mikroobszaru 6(a), jego wywskaźnikowany obraz (b) oraz symulację z karty nr dla ferrytu(c). Mikroobszar ten obejmuje warstwę wierzchnią żeliwa. Potwierdzono w niej występowanie ferrytu.

7 398 Rys. 5. Obraz dyfrakcyjny do identyfikacji faz w mikroobszarach oznaczonych numerami 1 6. Fig. 5. The diffraction pattern to the phases identification in microareas marked 1 6 numbers. a)

8 399 b) c) Rys. 6(a c). Obraz dyfrakcyjny obszaru nr 1 z rys. 5 (a); wywskaźnikowany obraz mikroobszaru nr1 (b) oraz symulacja obrazu dla aluminium (c). Fig. 6(a c). The diffraction pattern of 1 area from 5 figure (a); the picture with indications of 1 microarea (b) and the simulation for aluminum (c).

9 400 a) b)

10 401 c) Rys. 7(a c). Obraz dyfrakcyjny mikroobszaru nr 2 z rys. 5 (a); wywskaźnikowany obraz mikroobszaru nr 2 (b) oraz symulacja obrazu dla krzemu(c). Fig. 7(a c). The diffraction pattern of 2 area from 5 figure (a); the picture with indications of 2 microarea (b) and the simulation for silicon (c). a)

11 402 b) c) Rys. 8(a c). Obraz dyfrakcyjny fazy nr 3 z rys. 5 (a); wywskaźnikowany obraz fazy nr 3 (b) oraz symulacja obrazu dla Al 9 Fe 3 Si 2 (c). Fig. 8(a c). The diffraction pattern of 3 area from 5 figure (a); the picture with indications of 3 microarea (b) and the simulation for Al 9 Fe 3 Si 2 phase (c).

12 403 a) b)

13 404 c) Rys. 9(a c). Obraz dyfrakcyjny mikroobszaru nr 6 z rys. 5 (a); wywskaźnikowany obraz mikroobszaru nr 6 (b) oraz symulacja obrazu dla ferrytu (c). Fig. 9(a c). The diffraction pattern of 6 area from 5 figure (a); the picture with indications of 6 microarea (b) and the simulation for ferrite (c). W wyniku dyfrakcji rentgenowskiej stwierdzono, że bezpośrednio na podłożu w stalach krystalizuje faza Al 3 Fe, a w żeliwach żelazokrzemowy węglik Fe 4 CSi. W stanie równowagowym zawiera on 4,55% C i 10,66% Si[8]. Na tych warstwach krystalizuje faza Al 12 Fe 3 Si 2, która w stanie równowagowym zawiera: 32,25% Fe; 5,44% Si oraz 62,30% Al[9]. Na niej krystalizuje faza Al 9 Fe 3 Si 2 o stężeniu równowagowym: 27,17% Fe; 13,77% Si oraz 59,05% Al[9]. Faza ta występuje również w warstwie siluminu AlSi11 (rys. 3b). 4. WNIOSKI Z przedstawionych w pracy danych wynikają następujące wnioski: powłoka alfinowana zbudowana jest z czterech warstw, przy czym budowa pierwszej od podłoża zależy od rodzaju stopu żelaza, a następne są identyczne dla: żelaza armco, stali 45, żeliwa szarego i sferoidalnego, w stalach pierwszą warstwą jest faza Al 3 Fe, a w żeliwie węglik Fe 4 CSi; następne warstwy są identyczne i występują w kolejności: Al 12 Fe 3 Si 2, Al 9 FeSi 2 oraz składniki fazowe siluminu, grubość poszczególnych warstw w powłoce alfinowanej zależy od rodzaju materiału wtopki, temperatury kąpieli alfinującej i czasu alfinowania.

14 405 LITERATURA [1] J. C. Viala, M. Peronnet, F. Barbeau, F. Bosselet, J. Bouix: Interface chemistry in aluminum alloy casting reinforced with iron base inserts. Composites, nr A33 (2002). [2] P. Nowak: Badania modelowe kształtowania struktury i właściwości strefy przejściowej w odlewach warstwowych. Rozprawa doktorska, Politechnika Śląska, Katowice (2005). [3] S. Pietrowski: Budowa warstwy alfinowanej na żeliwie szarym. Archiwum Odlewnictwa, nr 11 (2004). [4] S. Pietrowski, T. Szymczak: Budowa zanurzeniowych powłok AlSi na stopach żelaza. Archiwum Odlewnictwa, nr 12 (2004). [5] S. Pietrowski, T. Szymczak: Budowa połączenia powłoki alfinowanej z siluminem. Archiwum Odlewnictwa, nr 14 (2004). [6] Pietrowski S., Szymczak T.: Wpływ chropowatości powierzchni materiału na grubość powłoki po alfinowaniu. Archiwum Odlewnictwa, nr 17 (2005). [7] Pietrowski S., Szymczak T.: Wpływ wybranych czynników technologicznych na budowę warstwy alfinowanej na stopach żelaza. Archiwum Odlewnictwa, nr 19 (2006). [8] Podrzucki C.: Żeliwo. Budowa, właściwości, zastosowanie. ZG STOP, Kraków (1991). [9] Sękowski K., Piaskowski J., Wojtowicz Z.: Atlas struktur znormalizowanych stopów odlewniczych. WNT, Warszawa (1972). Pracę zrealizowano w ramach grantu badawczego nr 3T08C DIFFRACTION RESEARCH OF THE ALPHINIZING COAT ON IRON ALLOYS SUMMARY In this paper the results of alphinizing coat on iron alloys determined with the use of Xray line and point microanalysis and Xray diffraction has been presented. It was found, that the coat consist on four layers and the first on the ground depend on the kind of iron alloys. In cast steel crystallize Al 3 Fe phase in cast iron Fe4Csi ironsiliceous carbide. Then, on two of kinds of iron alloys crystallize layers consist on Al 12 Fe 3 Si 2 and Al 9 Fe 3 Si 2 phases and siluminum. Recenzował Prof. Zbigniew Górny